(Đồ án hcmute) mô hình quản lý nhà không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH MƠ HÌNH QUẢN LÝ NHÀ KHƠNG DÂY GVHD: NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: LÊ HẢI ANH MSSV: 11119108 SVTH: NGUYỄN HOÀI HẬU MSSV: 11119171 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tƣ̣ – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Hải Anh MSSV: 11119108 Họ tên sinh viên: Nguyễn Hoài Hậu MSSV: 11119171 Ngành: Kỹ Thuật Máy Tính Lớp: 11119CL2 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Đình Phú ĐT: Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: MÔ HÌNH QUẢN LÝ NHÀ KHƠNG DÂY Các số liệu, tài liệu ban đầ u: Nội dung thưc̣ đề tài: - Kết nối truyền liệu giũa node Bluetooth 4.0 với điện thoại - Thiết lập mạng kết nối Bluetooth - Điều khiển thiết bị điện DC, AC - Thiết kế giao diện điều khiển điện thoại điều khiển thiết bị - Lập trình kit STM32F4 kết nối với TFT LCD, lập trình Arduino - Thiết lập giao diện điều khiển kit STM32F4 kết nối với TFT LCD Sản phẩm: - Thiết lập mạng Bluetooth (các node Bluetooth kết nối với diện thoại) - Lập trình STM32F4 Arduino - Điều khiển thiết bị DC AC - Thiết kế giao diện điều khiển điện thoại TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ***** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Lê Hải Anh MSSV: 11119108 Họ tên sinh viên: Nguyễn Hoài Hậu MSSV: 11119171 Ngành: Kỹ Thuật Máy Tính Tên đề tài:MƠ HÌNH QUẢN LÝ NHÀ KHƠNG DÂY Họ tên giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Đình Phú NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyế t điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằ ng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 20… (Ký & ghi rõ họ tên) an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Lê Hải Anh MSSV: 11119108 Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Hoài Hậu MSSV: 11119171 Ngành: Kỹ Thuật Máy Tính Tên đề tài: MƠ HÌNH QUẢN LÝ NHÀ KHÔNG DÂY Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyế t điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằ ng chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngàytháng Giáo viên phản biện Ký &(ghi rõ họ tên) năm 20… an LỜI CẢM ƠN Được phân công khoa đào tạo chất lượng cao trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đồng ý thầy hướng dẫn, thầy Nguyễn Đình Phú, tơi thực đề tài “ MƠ HÌNH QUẢN LÝ NHÀ KHƠNG DÂY” Để hồn thành khóa luận này, tơi chân thành cảm ơn thầy giáo tận tình hướng dẫn, giảng dậy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, thầy Nguyễn Đình Phú hướng dẫn tận tình tơi thực khóa luận Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thưc tế sản xuất hãn chế mặt kiến thức kinh nghiệm nên tránh khởi thiếu sót định mà thân chưa thấy Tơi mong nhận góp ý từ quý Thầy, Cô giáo bạn để khóa luận hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! an TÓM TẮT Nội dung thực đề tài: - Kết nối truyền liệu giũa node Bluetooth 4.0 với điện thoại - Thiết lập mạng kết nối Bluetooth - Điều khiển thiết bị điện DC, AC - Thiết kế giao diện điều khiển điện thoại điều khiển thiết bị - Lập trình kit STM32F4 kết nối với TFT LCD, lập trình Arduino - Thiết lập giao diện điều khiển kit STM32F4 kết nối với TFT LCD Kết thực hiện: - Thiết lập node Bluetooth, node thực chức riêng - Điều khiển thiết bị node - Thiết kế giao diện điều khiển điện thoại - Lập trình kit STM32F4 Arduino an MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Nhiệm vụ đồ án i Trang phiế u nhận xét giáo viên hướng dẫn ii Trang phiế u nhận xét giáo viên phản biện iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh mục chữ viế t tắt ix Danh mục bảng biểu x Danh mục hình ảnh, biểu đồ xi Chƣơng 1: Giới Thiệu 1.1 Tổng quan 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Lịch sử 1.1.3 Tình hình tai 1.1.3.1 Trên giới 1.1.3.2 Tại Việt Nam 1.2 Nhiệm vụ 10 1.2.1 Mục tiêu đề tài 10 1.2.2 Phạm vi công việc 10 1.2.3 Giới hạn đề tài 10 1.2.4 Nhiệm vụ 11 Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết 12 2.1 Mơ hình hệ thống 12 2.2 Bluetooth 4.0 14 2.2.1 Giới thiệu tổng quát 14 2.2.2 Cấu trúc mạng 15 2.2.2.1 Broacast topology 15 2.2.2.2 Connection topology 16 2.2.3 Phân cấp mạng 16 an 2.2.4 Protocol stack 17 2.2.4.1 Physical layer (PHY) 17 2.2.4.2 Link layer 18 2.2.4.2.1 Advertising and scanning 19 2.2.4.2.2 Connection 19 2.2.4.3 Host controller interface (HCI) 20 2.2.4.4 Logical link control and adaptation protocol (L2CAP) 20 2.2.4.5 Attribute protocol (ATT) 20 2.2.4.6 Security manager (SM) 21 2.2.4.7 Generic attribute profile (GATT) 22 2.2.4.7.1 Roles 23 2.2.4.7.2 UUID 23 2.2.4.7.3 Attribute 24 2.2.4.7.4 Attribute and data hierarchy 26 2.2.4.8 Generic access profile (GAP) 26 2.3 Real time operating system (RTOS) 29 2.3.1 FreeRTOS 29 2.3.2 Fundamental 29 2.3.2.1 Multitasking 29 2.3.2.2 Scheduling 30 2.3.2.3 Context switching 31 2.3.3 Ví dụ context switching 31 2.4 Kit STM32F4 discovery board 34 2.4.1 Kiến trúc kỹ ARM-Cortex M4F 34 2.4.1.1 Tổng quan 34 2.4.1.2 Các lõi ARM-Cortex 35 2.4.1.3 ARM-Cortex M4F 36 2.4.1.3.1 Thông số kỹ thuật 36 2.4.1.3.2 Công nghệ 37 2.4.2 Thông số 37 2.5 Arduino pro mini Arduino nano 39 2.6 Bluetooth 4.0 low energy (module HM-10) 41 2.6.1 Thông số kỹ thuật 41 2.6.2 Tổng quan 42 an 2.6.3 CC2541 43 2.6.4 Schematic Blutooth 4.0 HM-10 45 2.6.5 Chức chân 46 2.6.6 At comment 47 Chƣơng 3: Thiết Kế Thực 52 3.1 Tổng quan thiết kế 52 3.2 Mạng Bluetooth 53 3.2.1 Yêu cầu-phân tích-giải pháp 53 3.2.1.1 Yêu cầu 53 3.2.1.2 Phân tích lựa chọn giải pháp 53 3.2.2 Phần cứng 54 3.2.2.1 Arduino pro mini 55 3.2.2.2 Arduino nano 57 3.2.2.3.STM32F4 58 3.2.3 Phần mềm 62 3.2.3.1 Cài đặt thông số module Buetooth 4.0 62 3.2.3.2 Xử lý gói tin 66 3.2.3.3 Sơ đồ giải thuật 66 3.2.3.3.1 Sơ đồ giải thuật Arduino pro mini 66 3.2.3.3.2 Sơ đồ giải thuật Arduino nano 68 3.2.3.3.3 Sơ đồ giải thuật STM32F4 70 3.2.3.3.4 Sử dụng freeRTOS thực multitasking 73 3.3 Home automation application 74 3.3.1 Yêu cầu-phân tích-giải pháp 74 3.3.1.1 Yêu cầu 74 3.3.1.2 Phân tích-giải pháp 74 3.3.2 Phần mềm 74 Chƣơng 4: Kết Quả Thực Hiện 76 4.1 Phần Cứng 76 4.2 Phần mềm 79 Chƣơng 5: Kết Luận Và Hƣớng Phát Triễn 83 5.1 Kết luận 83 5.2 Hướng phát triễn tương lai 83 Tài Liệu Tham Khảo 84 an an 3.2.3.3.4 Sử dụng freeRTOS thực multitasking - Để thực multitasking sử dụng hàm xTaskCreate() hàm vTaskStartScheduler(): o Hàm xTaskCreate() dùng để tạo task thêm task vào danh sách task chạy portBASE_TYPE xTaskCreate( pdTASK_CODE pvTaskCode, const portCHAR * const pcName, unsigned portSHORT usStackDepth, void *pvParameters, unsigned portBASE_TYPE uxPriority, xTaskHandle *pvCreatedTask);  Các tham số:  pvTaskCode: trỏ tới hàm thực thi Hàm khơng phép có giá trị return ví dụ while loop  const pcName: tên task Thường dùng để debug  usStackDepth: size stack mà task sử dụng  pvParameters:con trỏ sử dụng tham số cho task tạo  uxPriority: độ ưu tiên task  pvCreatedTask:được dùng để truyền lại handle mà task tham chiếu tới o Hàm vTaskStartScheduler() bắt đầu thực multitasking - Đây là đoạn code sử dụng rtos kit STM32F4: o xTaskCreate(taskLCD, (signed char*)"TaskLCD", 128, NULL, 1, NULL); xTaskCreate(taskTEMP, (signed char*)"TaskTEMP", 128, NULL, 1, NULL); xTaskCreate(taskBLE, (signed char*)"TaskBLE", 128, NULL, 1, NULL); vTaskStartScheduler(); 73 an 3.3.Home Automation Application 3.3.1 Yêu cầu – Phân tích - Giải pháp 3.3.1.1 Yêu cầu: - Application scan hiển thị thiết bị Bluetooth low energy(module hm-10) xung quanh - Kết nối với module hm-10 scan service characteristics module - Write và Read data để điều khiển thiết bị nhận giá trị cảm biến - Giao diện phải thân thiện với người dùng 3.3.1.2 Phân tích – Giải pháp - Android có hỗ trợ API với function để thực việc lập trình cho thiết bị android - Ứng dụng viết ngôn ngữ lập trinh java 3.3.2.Phần mềm - Đầu tiên ứng dụng tự động scan để tìm tất thiệt bị ble 4.0 phạm vi định hiển thị tên và địa thiết bị tìm - Sau người dùng chon thiết bị kết nối kết nối đến thiết bị - Sau kết nối người dùng điều khiển thấy giá trị cảm biến mà thiết bị kết nối 74 an BEGIN Tim hiet bi ble N Chon thiet bi ket noi Y N Ket noi ? Y Tim cac service va characteristics Hien gia tri sensor nhan duoc v adieukhien thiet bi Y DISCONNECT N Hình 3.10: Sơ đồ giải thuật điện thoại 75 an CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 PHẦN CỨNG: Hình 4.1: Mơ hình tổng thể Đã thiết lập node Bluetooth 4.0, node thực chức riêng sau: - Node 1: Sử dụng Arduimo Pro Mini để hiển thị LCD báo trạng thái cửa(đóng hay mở), điều khiển cửa đong hay mở và điều khiển tắt mở đèn o Kết quả: Kết nối với ứng dụng điện thoại o Nhận data từ điện thoại o Điều khiển đèn cửa cửa qua điện thoại sử dụng Bluetooth thành công o Hiển thị lệnh điều khiển cửa led hoạt động 76 an Hình 4.2: Node - Node 2: Sử dụng STM32F4 điều khiển đèn(PWM) tắt mở hay điều chỉnh độ sáng đèn, độc cảm biến nhiệt độ và điều khiển thiết bị AC (relay) o Kết quả: Kết nối với ứng dụng điện thoại o Nhận data gửi lên sensor data cho điện thoại o Hiển thị GUI để người dùng điều khiển thiệt bị phịng o Hiển thị giá trị nhiệt độ đo xác o Thiết bị thực việc điều khiển gửi lên giá trị cảm biến nhanh xác 77 an Hình 4.3: LCD hiển thị và điều khiển Hình 4.4: Node 78 an - Node 3: Sử dụng Arduino Nano độc giá trị cảm biến nhiệt độ, cảm biến gas(mq2) gửi diện thoại, điều khiển thiết bị AC (relay 2) o Kết quả:Kết nối với ứng dụng điện thoại o Nhận data gửi lên sensor data cho điện thoại o Đo đạc giá trị cảm biến tương đối xác o Thiết bị thực việc điều khiển gửi lên giá trị cảm biến nhanh xác Hình 4.5: Node 4.2 PHẦN MỀM: Home Automation Application: phần mềm viết tren điện thoại Androi, kết nối với thiết bị thông qua Bluetooth điều khiển thiết bị nhà Sau là giao diện Application: Kết quả: - Có thể scan tìm kiếm node Bluetooth để kết nối 79 an Hình 4.6: Hiển thị node thiết bị - Kết nối hiển thị giao diện điều khiển thiết bị node gồm: Led, thiết bi AD, báo nhiệt độ 80 an Hình 4.7: Giao diện điều khiển node - Kết nối giao diện điều khiển thiết bị node gồm: đèn, thiết bị AC, hiển thị nhiệt độ phần tram khí gas khơng khí 81 an Hình 4.8: Giao diện điều khiển node 82 an CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Luận văn xây dựng tảng hệ thống nhà thông minh: - Tạo mạng kết nối ổn định thiết bị điều khiển thiết bị cảm biến giúp giám sát và điều khiển hệ thống cách tự động người dùng tùy chỉnh - Điện thoại(smartphone) thiết bị trung tâm quản lý nhà, với giao diện dễ sử dụng, giúp người điều khiển giám sát thiết bị nhà vị trí ngơi nhà - Các node Bluetooth với thiết kế nhỏ, gọn tiết kiệm lương - Board STM32F4 điều khiển thiết bị phịng khơng điện thoại(smarthome) mả cịn điều khiển thơng qua bảng điều khiển tích hợp board - Chuẩn khơng dây Bluetooth cho phép người dùng bố trí node cách tự có thể, nhiên băng thơng truyền tải thấp nên ta muốn thêm thiết bị giảm sát camera để người dùng giám sát cách trực quan khó Mạng quản lý node tích hợp thêm kết nối có băng thơng truyền tải lớn Wifi kết nối dây mạng IP nâng cấp khả điều khiển giám sát tồn hệ thống Tuy nhiện hệ thống có số nhược điểm sau: - Kết nối module Bluetooth với điện thoại chậm, kết nối thành cơng ổn định - Sử dụng mạng star nên bị giới hạn khoảng cánh 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƢƠNG LAI Hiện tại, tiết kiệm lượng là xu hướng hệ thống tương lai Các node tích hợp thêm khả đo đạc mức lượng tiêu thụ thiết bị điện, tổng hợp thơng số từ xây dựng sở liệu phân tích thơng báo và đề xuất người dùng giảm tiêu thụ thiết bị không cần thiết chuyển sử dụng khỏi khung cao điểm 83 an Web server: STM32F4 server, chứa thông tin và điều khiểu thiết bị xung quanh Người dùng dùng điện thoai máy tính để kết nối với server để điều khiển quản lý thiết bị nhà STM32F4 kết nối với thiết bi xung quanh node Bluetooth ` Các node Bluetooth với STM32F4 kết nối thành mạng hình star với STM32F4 la master node Bluetooth slave Hình 5.1:Mơ Hình Web Server Mạng mesh: liên kết vô tuyến kiểu mạng lưới với nhiều điểm truy nhập, truyền thông tin node Mạng mesh có số đặt điểm tối ưu mạng star sau: - Tăng khoảng cách hoạt động cua mạng - Có thể truyền liệu đến node mà không cần kết nối trực tiếp đến node 84 an Hình 5.2: Mạng mesh Module Bluetooth 4.0 hổ trợ mạng star không hổ trợ mạng mesh, nên để thực mạng mesh khó Nhưng với đời Bluetooth 4.1, việc thực mạng mesh dễ dàng Bluetooth 4.1 với chip CSR1010 hổ trợ đầy đủ cho mạng mesh Bluetoth 4.1 có đặt điểm để cấu hình mạng mesh sau: - Một module Bluetooth 4.1 central peripheral - Một central kết nối nhiều peripheral - Một peripheral kết nối nhiều central Với lợi điểm trên, hi vọng smarthome Việt Nam phát triễn mạnh mẽ, với chất lượng tính thẩm mỹ cao 85 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kevin Townsend, Carles Cufí, Akiba, and Robert Davidson, “Getting Started with Bluetooth Low Energy”, OREILLY, page 1-74 [2] Stm32f4 Reference Manual: http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/DM0003 1020.pdf [3] RTOS Reference Manual: http://www.freertos.org/Documentation/FreeRTOS-Reference-Manual-Table-ofContents.pdf [4] Arduino Reference Manual: https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage [5]Android Guide: http://developer.android.com/guide/topics/connectivity/bluetooth-le.html 86 an S an K L 0 ... 35% hàng tháng Một số hình ảnh trang web điều khiển từ xa HomeOn cho phép chạy demo: Hình 1.3: Hình ảnh trang chủ đăng nhập HomeOn an Hình 1.4: Trang quản lý chung Hình 1.5: Trang quản lý phịng... xa, quản lý trẻ em, dịch vụ quảng cáo Mơ hình thành phố thơng minh: quản lý hành tự động, quản lý lượng, điện, nước tập trung giúp giảm nhiều chi phí nhân cơng - Đặc biệt hệ thống giúp nhà tiết... SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Hệ thống smarthome NaUy Hình 1.2: Thị trường smarthome Châu Âu Hình 1.3: Hình ảnh trang chủ đăng nhập HomeOn Hình 1.4: Trang quản lý chung